Инвертор на основе КМОП ключа

Инвертор в цифровой технике «переворачивает» сигнал: если на входе низкий уровень сигнала, то транзистор закрыт, ток через резистор нагрузки не течет, все напряжение Vcc оказывается на выходе. А если на входе высокий уровень, то транзистор во включенном состоянии проводит ток и потенциал стока (выходной сигнал) практически равен нулю (низкий уровень) - рис.9.1 а – схема полевого транзистора с каналом n-типа. Работа транзистора с каналом р-типа показана на рис.9-2.

Инвертор с минимальным потреблением мощности можно реализовать на комплементарной (дополняющей) паре полевых транзисторов (рис. 9-1 б). В такой схеме используются два МОП-транзистора с индуцированными каналами n- и p- типов. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками.

Рис.9-1 Инвертор на ПТ а) с каналом n-типа, б) с каналом р-типа, в) на комплементарной паре

Эквивалентная схема КМОП-ключа, соответствующая случаю, когда входное напряжение имеет низкий уровень, показана на рис. 9-3, а. Транзистор VT2 эквивалентен разомкнутому идеальному ключу. Транзистор VT1 моделируется резистором R_СИ1. Выходное напряжение равно напряжению источника питания.

а)  б)

Рис. 9-3

Если входное напряжение имеет высокий уровень Uвх > U, то транзистор VT2 находится в состоянии насыщения, а VT1 – отсечки, и выходное напряжение не превышает 10 мВ. Эквивалентная схема ключа для этого случая показана на рис. 2, б. Теперь транзистор VT1 эквивалентен разомкнутому ключу, а ненулевое сопротивление VT2 моделируется резистором Rси₂.

Транзисторы в схеме ключа рассчитывают так, чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые (по модулю) пороговые напряжения и удельные проводимости. Этим обеспечивается одинаковая нагрузочная способность ключа как в открытом так и в закрытом состояниях. Поскольку приповерхностная подвижность дырок _p в 2–4 раза меньше подвижности электронов μ _n, для согласования ширину канала транзистора VТ1 выбирают в 2–4 раза большей, чем у VТ2. Длина каналов обоих транзисторов одинакова, а ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство

.

Передаточной характеристикой КМОП инвертора называется зависимость выходного напряжения логического элемента от напряжения на его входе. На передаточной характеристике можно выделить несколько областей (рис. 9-3 a, б):

Рис.9-3. Зависимость выходного напряжения (а) и потребляемого тока (б) КМОП-инвертора от входного напряжения.

1. Входное напряжение меньше порогового напряжения Von, n-канальный транзистор закрыт. Напряжение затвор-исток р-канального транзистора больше его порогового напряжения Voр (по модулю), поэтому он полностью открыт. Напряжение на выходе равно напряжению питания, потребляемый ток равен нулю.

2. Входное напряжение больше порогового напряжения Von п-канального транзистора, но меньше половины напряжения питания. N-канальный транзистор начинает открываться, а Р-канальный транзистор начинает закрываться.

3. В области значения входного напряжения равного Е/2 передаточная характеристика идет практически вертикально. При входном напряжении равном Е/2 оба транзистора открыты в одинаковой степени, потребляемый ток максимален.

4. Входное напряжение больше Е/2 и меньше (Е-V_op). Картина аналогична (симметрична) участку 2, но теперь n- и p-канальные транзисторы меняются ролями. Напряжение на выходе уменьшается.

5. Входное напряжение больше (Е-Vop) и меньше напряжения питания. N-канальный транзистор полностью открыт, р-канальный – закрыт, его напряжение затвор-исток меньше порогового по модулю. Напряжение на выходе равно 0. При этом потребляемый ток равен нулю, т.к. р-канальный транзистор закрыт.

На первом и пятом участках схема тока не потребляет (т. к. закрыт, соответственно, n-канальный или р-канальный транзистор). В этом состоянии потребляемая схемой мощность обусловлена только токами утечки через обратно смещенные переходы сток-подложка, исток-подложка. При комнатной температуре эти токи очень малы. Максимум потребляемого тока наблюдается в точке входного напряжения, близком Е/2 (рис.9-3 б).

На рис.9-4 показан результат моделирования инвертора на комплементарной паре.

Рис.9-4. Результат моделирования КМОП инвертора.

Логические элементы КМОП подвержены разрушающему воздействию статического электричества, поэтому во всех схемах обязательно присутствуют защитные диоды. В реальной схеме инвертора (рис.9-5) диоды VD3, VD5, VD6 защищают от отрицательных импульсов. Диоды VD1, VD2, VD4 защищают вход и выход от положительных выбросов и ограничивают его на уровне U_п+0, 6. Для дополнительной защиты входов, особенно при длинных входных проводах, и для устранения паразитных колебаний последовательно с входом включают резистор для ограничения тока заряда включения емкости.

 

Рис.9-5 Защитные элементы в реальной схеме инвертора КМОП

 

Основные свойства КМОП-ключа:

а) идеальный логический инвертор;

б) быстродействие значительно выше, чем у других типов ключей;

в) очень малое потребление энергии от источника питания в статическом режиме. Динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемая КМОП-инвертором при тактовой частоте , определяются формулой . Главным путем повышения быстродействия и снижения потерь является уменьшение емкостей транзисторов и нагрузки;

г) значительно большая нагрузочная способность по сравнению с ключами на биполярных транзисторах. Входное сопротивление КМОП-ключа бесконечно велико, поэтому к его выходу можно подключить большое число аналогичных ключей. Однако каждый дополнительный ключ увеличивает емкость нагрузки, что приводит к замедлению переключения.

 

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор - исток и затвор - сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет.

Есть еще одно преимущество ключа на полевом транзисторе - отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. По мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. Это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно. Мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные  образцы токопроводящего канала полевика. Сила тока в них при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах.

Биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. И так до прогорания.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: